一种新型室内自适应复合定位系统的设计与应用

周军华，任坚，吴文生，徐荣，张晓明，唐永

江南大学附属医院（无锡市第四人民医院）医疗器械科，江苏 无锡214062

一种新型室内自适应复合定位系统的设计与应用

周军华，任坚，吴文生，徐荣，张晓明，唐永

江南大学附属医院（无锡市第四人民医院）医疗器械科，江苏 无锡214062

目的 开发一种新型室内自适应复合定位系统，用于跟踪、定位可移动式医疗设备的位置，统计其使用状况，以提高设备使用效率。方法 利用可移动式医疗设备所需要市电工作的特点，将电力线载波通信技术用于室内定位，同时辅助以主流的无线WIFI定位手段实现。结果 系统可以实时获取医疗仪器的工作位置，定位精度可满足需求，系统工作稳定。结论 本文提出的方法可以有效解决医院室内仪器定位问题。

移动式医疗仪器；电力线载波通信；Wi-Fi；室内定位系统

0 前言

医疗仪器设备管理的自动化和远程化是当前医院综合管理系统的重要环节，我们可以采用常规的无线网络来收集医疗仪器设备的运行信息用于医院综合管理。但是，医院的设备管理者常常需要了解当前工作仪器设备的位置信息。位置信息必须精确到某个特定区域（如楼层、科室、病区等）。目前主流的室内定位手段是依靠无线方式，如Wireless-Fidelity（Wi-Fi）信号[1-2]，以此发展出多点定位法和更复杂的指纹定位法等一系列方法[3-5]。但基于传统的WIFI的定位精度不高，难以精准定位到具体楼层，需要加以其他辅助手段来提高其定位精度，而射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术[6-7]也有其局限性，除非耗资大量的布站，否则也难以实现实时监控。

为解决这一难题，笔者提出一种以有线定位为主，WIFI定位为辅的室内复合定位方案。该方案可有效地解决室内定位垂直误差大的问题，对可移动式仪器设备的实时定位具有很高的实用性、可靠性，同时降低成本，减少后期维护，可以很好解决医疗仪器设备室内定位的难题。

1 系统设计方案

1.1 我院通信网络现状分析

现有的医院办公区域一般都是每个楼层有独立的供电设备和保护措施，每层楼的市电电源相对独立，可以通过电力线传输定位信息。在医院的病房等办公区域部署多个定位锚标，定位锚标集成WIFI接口和电力线载波通信接口。每个定位锚标会根据服务器命令（通过WIFI下达）在电力线上广播发送特定序列号，广播发送的范围会被服务器严格控制，使其局限在特定范围内。

附着在医疗仪器设备上的监控终端采用电源线形式，所以当医疗仪器工作时，监控终端必然会接入电力线网络中，那么监控终端同样从电力线上收到某个特定的定位锚标发送的序列号，然后将该序列号通过WIFI发送给服务器。服务器收到后就可以确定该设备是在哪层楼的哪个区域，不会出现楼层误差。服务器在结合监控终端的服务集标识（Service Set Identifier，SSID）列表，通过多点定位法可以非常准确地给出这台医疗仪器设备的位置。

复合定位系统，通过医院已有的WIFI网络的无线接口将运行信息发送给服务器，服务器记录并统计各个医疗仪器的状态信息，提供实时监控的窗口显示。

常规的电力线载波通信技术也有其自身的局限：数据带宽低、干扰大；此外，还存在依赖信号功率强弱的问题：极易受干扰，长期可靠性差。为此，本系统设计只发送序列号，系统数据通信通道为WIFI，所以数据带宽低会不构成系统缺陷。针对干扰和长期可靠性差的问题，本系统设计采用自适应算法和布站方法，可以有效解决这一问题，这在下文中有详细叙述。

1.2 系统架构设计

系统整体架构，见图1。

图1 系统架构框图

（1）监控终端：监控医疗设备的运行状态，提供WIFI无线接口和电力线载波通信功能。

（2）定位锚标：提供定位信息，监控其他定位锚标的发送功率。同时，通过WIFI接收服务器命令和上报状态信息。

（3）服务器：主要是软件部分，记录各个医疗设备的运行状态，提供操作手册和运行记录，输出各种格式内容的报表。除此之外，还负责其他硬件模块的管理和配置。

（4）云计算网络服务器：汇总所有单体服务器，提供云端的数据库和访问接口，支持远程访问，可以部署在各个独立的服务器上。

2 系统实现的关键技术

基于电力线载波通信[8]的有线定位手段是本方案的重点和难点。在实施过程中如何解决其可靠性，提高抗干扰能力是必须解决的难题；低压电力网是一个开放性网络，在本系统中又是采用广播发送，如何保证信号的有效覆盖和抑制相互干扰是本方案的关键技术。

2.1 电力线载波通信

电力线载波通信Modem芯片采用由意法半导体（ST）公司提供（型号ST7540），是目前最适合国内开发应用的芯片之一，可广泛应用于家庭和工业领域电力线通信。一般来说ST7540的最大有效通信距离为1000 m，发送功率可调，能满足本系统要求。电路采用公版设计，并无特殊要求。

监控终端的电力线载波通信模块永远处于接收状态，当收到某个定位锚标的序列号就将该序列号通过WIFI网络上报服务器。

定位锚标具有既发送又接收功能。定位锚标必须接收到服务器的发送命令才会发送特定定位序列号，发送功率也由服务器控制。每次发送完成就自动转为接收状态，一旦收到其他定位锚标定位序列号就通过WIFI网络上报，供服务器裁决。

2.2 自适应有线定位布站

布置定位锚标的主要目的是为了提供监控终端的楼层定位信息，同时定位锚标也可以作为WIFI的无线访问接入点（Access Point，AP）来使用，可以满足轻度负载要求，补足WIFI覆盖。

定位锚标的布站可根据实际的具体需要随时改动。一般来说，医院每层楼需要布置1～3个定位锚标，如需更精确的定位或是复杂的室内电源布线，可以增加定位锚标的数量。定位锚标布置，见图2。

图2 定位锚标布置图

以图2为例，说明一下有线定位的具体思路。假设该层楼的电源入口和保护开关在红色箭头位置，那么，在靠近入口位置布置1个定位锚标A（监控锚标，只接收不发送），用于监控本层的定位信号有没有覆盖全，有没有其他楼层的定位信号发送到本楼层来。若收到其他楼层的定位信号，则减少其发送功率直至其影响不了他人。需要强调的是，定位锚标只是按照服务器的命令行事，而服务器的设定则可根据具体情况作动态调整。

定位锚标B和C则用于发送覆盖整层的定位信号。B和C同时也可监控对方的发送信号的强度，服务器可以错开B和C的发送，避免互相的干扰。监控终端将收到的B和C序列码发送给服务器，同时上报自身的层楼信息。

2.3 有线多点定位系统

有线多点定位系统原理与无线多点定位系统相仿，同样存在上文描述的问题，这里不再赘述。有线定位系统主要为了定位楼层和大范围的区域，在图2中蓝色和黄色区域的中间布置定位锚标D（监控锚标，只接收不发送），可以监控定位锚标B和C的发送强度使其局限在自身区域内，这样监控终端就可以知道自身在哪个楼层的哪个区域（科室或病区）。

2.4 WIFI多点定位

WIFI多点定位作为辅助定位手段，在有线定位的基础上通过简单的多点定位算法得到相对精确的水平位置信息。

若同一楼层有多个区域，需要精确定位，则考虑部署有线多点定位系统辅助WIFI无线定位。因为边界处已有一个定位锚标D，也可以得到WIFI信号，这可为WIFI的指纹算法提供借鉴，在边界处局部采用WIFI指纹定位方法，可提高局部定位精度，减轻系统负载。

3 结束语

室内自适应复合定位系统很好地解决了可移动的医疗仪器设备的室内定位难题。系统布线简单、成本低、维护容易。采用自适应架构，有效地解决了系统长期可靠性问题，极大地降低了后期维护成本[9]，并在实际布网测试中取得了较好的效果。

[1]卢恒惠,刘兴川,张超,等．基于三角形与位置指纹识别算法的W iFi定位比较[J]．移动通信,2010,（10）：72-76．

[2]魏菲,李允俊,金华．使用位置指纹算法的W iFi定位系统设计[J]．单片机与嵌入式系统应用,2014,（5）：29-31．

[3]陈庆国．多点定位算法研究[J]．山东交通科技,2011,（5）：5-6．

[4]蔡朝晖,夏溪,胡波,等．室内信号强度指纹定位算法改进[J]．计算机科学,2014,41（11）：178-181．

[5]李福坚,吴黎明．一种改进的支持向量机的室内指纹定位技术[J]．自动化与信息工程,2014,35（4）：29-33．

[6]罗春彬,彭龑,易彬．RFID技术发展与应用综述[J]．通信技术,2009,42（12）：112-114．

[7]霍炎,卢雨萌,程伟,等．基于RFID技术的安全跟车系统[J]．北京交通大学学报,2014,38（5）：54-59．

[8]肖勇,张捷,三磊,等．智能计量设备电力线载波通信测试系统的设计[J]．电测与仪表,2014,51（13）：14-21．

[9]林志刚．医院信息集成平台构建与应用[J]．中国医疗设备,2013, 28（9）：39-41,11．

Design and App lication of A New-Type Indoor Adaptive Com posite Positioning System

ZHOU Jun-hua, REN Jian,
WU W en-sheng, XU Rong, ZHANG Xiao-m ing, TANG Yong Department of Medical Equipment, the A ffi liated Hospital of Jiangnan University（Wuxi Fourth People's Hospital）, Wuxi Jiangsu 214062, China

Objective To develop a new-type indoor adaptive composite positioning system for tracking and locating the position of the mobile medical equipment as well as the calculation of the use of the equipment so as to improve its use efficiency. Methods In combination w ith the electricity requirement of mobile medical equipment, the power line communication technique was introduced for indoor positioning. Meanwhile, the mainstream w ireless location technique was used for auxiliary location. Resu lts The proposed method had a good performance in its stability and real-time acquisition of the location of medical equipment, and could effectively enhance the accuracy of indoor positioning. Conclusion The proposed method could effectively solve the problem of medical equipment indoor positioning in the hospital.

mobile medical equipment；power line communication；Wi-Fi；indoor positioning system

TP277

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2015.11.025

1674-1633（2015）11-0081-03

2015-04-17

2015-05-07

无锡市医院管理中心智慧医疗科研项目（YGZXZ1304）。

本文作者：周军华，硕士，工程师，主要从事医疗设备维修及质控管理及研究工作。

作者邮箱：439069554@qq．com